孟凡佳，王亞彬，王立柱

（渤海裝備巨龍鋼管有限公司，河北 青縣 062658）

為了提高大直徑輸送管生產(chǎn)效率，制管車間通常在每個(gè)生產(chǎn)崗位上安裝多個(gè)用于擺放鋼管的V形臺(tái)架。為了及時(shí)有效地將鋼管在V形臺(tái)架上依次擺放及向本崗位及時(shí)運(yùn)送，鋼管橫移車的自動(dòng)定位及自動(dòng)運(yùn)管功能必不可少。四輪橫移車用于預(yù)焊、內(nèi)外焊、探傷、擴(kuò)徑、修磨、水壓機(jī)、X光拍片、倒棱機(jī)、稱重測量等設(shè)備運(yùn)輸和搬運(yùn)鋼管。采用橫移車搬運(yùn)鋼管過程平穩(wěn)、運(yùn)輸效率高，促進(jìn)了鋼管生產(chǎn)線效率及自動(dòng)化水平[1]。但傳統(tǒng)橫移車定位及控制方式的缺點(diǎn)非常明顯，故障率高。在工業(yè)4.0及追求車間自動(dòng)化水平提高的大背景下，需要對(duì)傳統(tǒng)橫移車控制方式進(jìn)行必要的升級(jí)改造。

1 傳統(tǒng)橫移車控制方式缺點(diǎn)

目前制管車間的運(yùn)管橫移車多采用增量式編碼器、接近開關(guān)、高速計(jì)數(shù)器的方式進(jìn)行橫移車的定位。這種定位方式需要管位接近開關(guān)與每個(gè)管位擋鐵發(fā)生感應(yīng)才能確定橫移車位置。其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，硬件配置較多，可靠性差，經(jīng)常出現(xiàn)定位錯(cuò)誤。常出現(xiàn)故障導(dǎo)致橫移車拖鏈損壞、電纜拉斷，影響車間的正常生產(chǎn)流程，降低了生產(chǎn)效率，增加了生產(chǎn)成本。傳統(tǒng)控制方式具體缺點(diǎn)如下所述。

（1）增量式編碼器固定在車輪或行走電機(jī)尾部，使用高速計(jì)數(shù)模塊計(jì)數(shù)，判斷橫移車位置，屬于間接定位方式。這種定位方式有一個(gè)明顯缺點(diǎn)，即橫移車車輪原地空轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)發(fā)生定位錯(cuò)誤。這種定位錯(cuò)誤在橫移車軌道有油污或橫移車通過交叉軌道時(shí)尤其明顯，一旦發(fā)生定位錯(cuò)誤，就會(huì)使橫移車動(dòng)作混亂，導(dǎo)致橫移車與鄰近橫移車發(fā)生相撞，或者碰撞鄰近工位的鋼管。

（2）橫移車安裝有管位接近開關(guān)，用于對(duì)每個(gè)V形臺(tái)架進(jìn)行位置確認(rèn)。通過編碼器計(jì)數(shù)值和管位接近開關(guān)相配合進(jìn)行橫移車定位。只有當(dāng)接近開關(guān)動(dòng)作時(shí)，才認(rèn)為橫移車定位在某一工位。如果橫移車在運(yùn)行過程中沒有正確地感應(yīng)到管位接近開關(guān)，就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的定位錯(cuò)誤，導(dǎo)致橫移車來回移動(dòng)或與鄰近鋼管相撞。

（3）缺乏人員防護(hù)措施。在手探或成品檢驗(yàn)等崗位，需要進(jìn)入到鋼管擺放臺(tái)架區(qū)域內(nèi)，對(duì)鋼管進(jìn)行檢驗(yàn)工作。而橫移車沒有配置人員防護(hù)措施，不能檢測其鋼管臺(tái)架區(qū)域內(nèi)是否有人在工作，導(dǎo)致在臺(tái)架區(qū)內(nèi)操作人員處于危險(xiǎn)之內(nèi)。

2 改進(jìn)原理及實(shí)現(xiàn)方法

本研究旨在討論一種可解決上述問題的橫移車定位及安全防護(hù)思路，以提高自動(dòng)化水平及工作效率，保障設(shè)備安全和現(xiàn)場工作人員人身安全。主要包括自動(dòng)定位及運(yùn)管功能、鋼管間防撞功能、人員防擠碰功能、人機(jī)交互功能的實(shí)現(xiàn)。

2.1 精確定位功能原理

激光測距是光波測距的一種,脈沖式激光測距通過測量激光光束在待測距離上往返傳播的時(shí)間來計(jì)算距離[2-3]。本研究介紹的橫移車自動(dòng)定位及運(yùn)管功能采用高精度激光實(shí)時(shí)測距傳感器作為定位介質(zhì)[4]，定位誤差可達(dá)±1 mm。實(shí)時(shí)激光測距傳感器安裝在橫移車車體上（如圖1所示），高度稍高于橫移車軌道。激光發(fā)射方向與橫移車軌道平行，在軌道起始端安裝激光定位板，從而能夠準(zhǔn)確確定橫移車位置。為了防止激光被遮擋而發(fā)生定位錯(cuò)誤，在橫移車兩托架側(cè)各安裝一個(gè)激光測距傳感器。

圖1 激光測距傳感器安裝示意圖

圖2 控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖2所示，包括具有RS485接口的激光傳感器LS1和LS2、S7-300 PLC主站A0及分站A1、現(xiàn)場DP總線、變頻器V1。DP總線可實(shí)現(xiàn)從現(xiàn)場信號(hào)到控制柜的數(shù)據(jù)通訊，保證控制器和現(xiàn)場設(shè)備之間可靠的通訊[5]。每個(gè)橫移車放管臺(tái)架都在程序中預(yù)置絕對(duì)位置，用于橫移車精確定位各個(gè)臺(tái)架管位。自動(dòng)定位功能工作原理：激光器工作電源由中間繼電器控制，在橫移車靜止時(shí)切斷激光傳感器電源。橫移車運(yùn)動(dòng)前自動(dòng)接通激光傳感器電源，激光測距傳感器LS1、LS2獲取橫移車實(shí)際位置后通過DP總線將當(dāng)前實(shí)際位置傳送給PLC主站A0[6-7]。主站CPU計(jì)算LS1和LS2的平均值A(chǔ)VELS，進(jìn)而判斷AVELS與LS1、LS2的差值，如果差值絕對(duì)值＞10 mm，則認(rèn)為激光傳感器受障礙物干擾，從而提示操作人員檢查現(xiàn)場有無干擾物，避免發(fā)生定位錯(cuò)誤。CPU獲取橫移車當(dāng)前位置后，通過橫移車驅(qū)動(dòng)變頻器控制橫移車從軌道起始端開始向軌道末端以50 Hz速度快速運(yùn)動(dòng)一個(gè)來回，在運(yùn)動(dòng)到每個(gè)臺(tái)架管位時(shí)，通過安裝在橫移車托架上的光電開關(guān)檢測每個(gè)獨(dú)立臺(tái)架是否放置有鋼管，從而獲取所有臺(tái)架工位的鋼管擺放信息，并將信息存儲(chǔ)，以便自動(dòng)運(yùn)管時(shí)需要。這種檢測臺(tái)架管位鋼管信息的方法準(zhǔn)確可靠，不會(huì)發(fā)生誤判情況。相比當(dāng)前大量使用的每個(gè)臺(tái)架管位都安裝2個(gè)接近開關(guān)的方法更可靠，又極大降低了橫移車維護(hù)成本。

2.2 鋼管間防撞功能工作原理

由于采用高精度激光實(shí)時(shí)測距傳感器檢測橫移車當(dāng)前實(shí)際位置，所以已大大降低了橫移車撞管的可能性。鋼管間防撞功能只作為輔助保護(hù)手段。因?yàn)橹挥袡M移車在托舉鋼管行走時(shí)才有可能發(fā)生鋼管間的誤撞情況，因此在橫移車托架上安裝一維激光傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測橫移車與下一工位鋼管間距離。當(dāng)距離小于當(dāng)前規(guī)格鋼管安全距離時(shí)即停止橫移車前進(jìn)，從而杜絕鋼管間相撞。安全距離的設(shè)定通過首批鋼管生產(chǎn)前實(shí)際測量進(jìn)行確定，系統(tǒng)自動(dòng)記錄操作人員錄入的安全距離，在以后生產(chǎn)相同規(guī)格的鋼管時(shí)不需要重復(fù)輸入。

2.3 人員防護(hù)功能工作原理

人員防護(hù)功能主要使用安全光幕來實(shí)現(xiàn)。安全光幕又稱電敏防護(hù)裝置，由發(fā)射、接收檢測光信號(hào)的敏感元件、控制單元和輸出電路組成，是為達(dá)到保護(hù)脫扣或敏感功能而協(xié)同工作的一組元器件組合[8]。 安全光幕具有安全性高、響應(yīng)時(shí)間短、非接觸性檢測、自動(dòng)化程度高等特性，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場需要人身防護(hù)的高危場所[9]。光幕由發(fā)射陣列和相應(yīng)的接收器組成，這兩個(gè)組成部分的相互結(jié)合可形成一個(gè)具有特定分辨率的遙感區(qū)域，這也使得安全光幕能夠在最小區(qū)域內(nèi)可靠地檢測一個(gè)對(duì)象。如果手臂或足等不透明物體被光線阻擋的話，安全光幕就能將其檢測出來[10]。如圖3所示，鋼管臺(tái)架兩側(cè)地面上，在距離地面30 cm高度位置水平安裝工作高度為2.0 m的安全光幕，檢測區(qū)域全面覆蓋臺(tái)架兩側(cè)鋼管擺放區(qū)域。當(dāng)人員在鋼管擺放區(qū)域內(nèi)走動(dòng)時(shí)，觸發(fā)安全光幕報(bào)警。安全光幕將報(bào)警信號(hào)輸入給PLC，如果橫移車正托舉鋼管運(yùn)動(dòng)，則PLC立即控制橫移車停止運(yùn)動(dòng)。當(dāng)人員離開鋼管區(qū)域后，安全光幕復(fù)位，橫移車恢復(fù)行走功能。如果橫移車托架在下位，則不停止橫移車的運(yùn)動(dòng)。為了保證安全光幕可靠動(dòng)作，選擇安全光幕的分辨率為50 mm。

圖3 人員防護(hù)功能示意圖

2.4 人機(jī)交互功能的實(shí)現(xiàn)

人機(jī)界面有兩個(gè)主要功能，即直觀地顯示目前臺(tái)架鋼管擺放信息及橫移車所處位置，并提供人工操作橫移車功能。其中手動(dòng)操作定位功能對(duì)于保護(hù)橫移車機(jī)械結(jié)構(gòu)非常重要。為了保護(hù)橫移車機(jī)械結(jié)構(gòu)免受橫移車從高速到停止的突然轉(zhuǎn)換帶來的沖擊，需要橫移車所有運(yùn)動(dòng)都有減速過程。如果利用主令控制器操作，無法確定減速時(shí)機(jī)，也就無法保護(hù)橫移車。在人機(jī)界面增加各個(gè)工位的選擇按鈕，操作人員只需點(diǎn)擊一次按鈕選定目的位置，橫移車即可通過加速—高速—減速—停止的運(yùn)動(dòng)方式移動(dòng)到選定的工位，避免人工操作帶來的機(jī)械沖擊，可良好地保護(hù)機(jī)械結(jié)構(gòu)，降低機(jī)械維護(hù)成本。

3 結(jié)束語

在制管行業(yè)，只有保證制管車間設(shè)備時(shí)刻處于良好工作狀態(tài)，使其滿足嚴(yán)格的訂單需求，才能切實(shí)保障企業(yè)的生存。本研究介紹的橫移車定位方式結(jié)構(gòu)簡單，故障率低，維護(hù)方便。增加了人員防護(hù)功能，保障操作人員始終處于風(fēng)險(xiǎn)可控的工作環(huán)境內(nèi)。新的定位方式能夠保障橫移車長時(shí)間穩(wěn)定地處于良好工作狀態(tài)，有效地降低了橫移車維護(hù)成本，提高了制管車間生產(chǎn)效率。

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